Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/1822/76836

TitleLow-pressure closed-loop MEMS accelerometers for automotive applications
Author(s)Lima, Vasco António Lourenço
Advisor(s)Cabral, Jorge Miguel Nunes dos Santos
Gaspar, João Carlos Azevedo
Rocha, Luís Alexandre Machado da
Keywordsacelerómetro
encapsulamento a vácuo
MEMS
modulação sigma-delta
accelerometer
sigma-delta modulation
vacuum encapsulation
Issue date26-Oct-2020
Abstract(s)As atuais tendências na indústria automóvel são a automação e a eletrificação. Atualmente, um veículo tem cerca de cem sensores, dos quais no mínimo trinta usam tecnologia MEMS, fazendo um valor anual de mercado de 11 mil milhões de dólares americanos. Um elevado número destes dispositivos são sensores inerciais, representando um valor anual de mercado de 1.6 mil milhões de dólares americanos. Aplicações inerciais típicas, tais como unidades de medição inerciais, necessitam de mais de um tipo destes sensores, como por exemplo acelerómetros e giroscópios. Contudo, giroscópios MEMS baseados na força de Coriolis necessitam de operar em vácuo, enquanto os acelerómetros são tipicamente operados à pressão atmosférica. Assim, o encapsulamento em vácuo de acelerómetros MEMS pode ser vantajoso, uma vez que possibilita a integração num substrato comum de silício com outros sensores MEMS inerciais, levando a reduções de tamanho e de custo de fabrico e encapsulamento. No entanto, o alto fator de qualidade resultante do encapsulamento em vácuo dificulta a operação do acelerómetro. Moduladores sigma-delta eletromecânicos fornecem o amortecimento elétrico necessário para operar acelerómetros em vácuo, enquanto providenciam alta resolução e linearidade, e baixa dependência térmica e suscetibilidade ao processo de fabrico, sendo um dos métodos mais atrativos para alcançar sensores MEMS inerciais de alta performance. Acelerómetros MEMS encapsulados em vácuo que usam modulação sigma-delta podem ser encontrados na literatura, mas todos têm um problema comum: uma massa sísmica grande. Isto tem diversas desvantagens, tais como gama dinâmica reduzida, aumento da complexidade do processo de fabrico e limitações na integração, levando ao aumento do custo. Nesta tese é apresentado um acelerómetro MEMS com tamanho reduzido, encapsulado em vácuo e operado com um modulador sigma-delta. O modulador sigma-delta foi implementado em FPGA, permitindo a sintonização rápida e eficaz dos seus parâmetros para os dispositivos finais. Isto visa alcançar a estabilidade do sistema (mais difícil em vácuo) e melhorar a performance do sensor. O acelerómetro realizado alcançou um ruido de 173 μg/√Hz, uma largura de banda de 400 Hz, um intervalo de medição de ±5 g e uma não linearidade inferior a 0.66 %. Valores mais baixos de ruído (123 μg/√Hz) foram obtidos à custa de um menor intervalo de medição (±1.5 g), atestando a flexibilidade do sistema. No conhecimento do autor, este trabalho apresenta a melhor relação entre ruido, tamanho e largura de banda, quando comparando com dispositivos idênticos apresentados na literatura até à data.
The current trends in the automotive industry are automation and electrification. Nowadays, a typical vehicle has around one hundred sensors, from which at least thirty use MEMS technology, amounting to an annual market value of 11 billion US dollars. A large number of these devices are inertial sensors, representing an annual market value of 1.6 billion US dollars. Typical inertial applications, like inertial measurement units (IMU), require more than one type of inertial sensor, such as accelerometers and gyroscopes. Yet, MEMS gyroscopes based on the Coriolis force must operate in low-pressure, while accelerometers are typically operated at atmospheric pressure since they must be critically damped. Thus, vacuum encapsulation of MEMS accelerometers can be advantageous since it enables integration in a single common silicon substrate with other MEMS inertial sensors, leading to size reduction and to a decrease in fabrication and packaging costs. However, the high quality factor resultant from vacuum encapsulation causes undesirable high settling times for accelerometers. Electromechanical sigma-delta modulators can provide the electrical damping necessary for low-pressure accelerometers while delivering high resolution and linearity, and low thermal dependency and susceptibility to process variations, representing one of the most attractive architectures for achieving high-performance MEMS inertial sensors. Vacuum encapsulated MEMS accelerometers using sigma-delta modulation can be found in the literature, but all present a common issue: large proof-mass. This has several drawbacks, such as reduced full-scale, added complexity of the manufacturing process, and integration limitations, ultimately leading to cost increase. In this thesis, a small-size and low-pressure MEMS accelerometer operated in a closed-loop sigma-delta modulator is presented. The sigma-delta modulator loop was digitally implemented in a FPGA, enabling a fast and accurate tuning of the loop parameters at the final trim of the devices. This aims to achieve loop stability, more difficult for low-damping devices, and to improve the sensor overall performance. The implemented accelerometer achieved a noise figure of 173 μg/√Hz, for a bandwidth of 400 Hz, a measurement range of at least ±5 g, and a nonlinearity lower than 0.66 %. Lower noise values (123 μg/√Hz) are also attainable at the expense of lower dynamic range (±1.5 g), verifying the flexibility of the accelerometer. To the best of the author’s knowledge, this work shows the best relation between noise, device size, and bandwidth, when comparing similar devices presented in the literature to date.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de Doutoramento (Programa Doutoral em Sistemas Avançados de Engenharia para a Indústria)
URIhttps://hdl.handle.net/1822/76836
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
CAlg - Teses de doutoramento/PhD theses
DEI - Teses de doutoramento

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